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Science发问：人类到底能否摆脱对化石能源的依赖？

2019.9.26

　　石油不仅是燃料，而且还是许多化工产品的原料。小到日常生活中的茶杯和服装，大到铺设公路的沥青和工业生产所需的烯、醇等，都离不开石油。然而，石油、天然气等不可再生化石资源储量有限；并且其燃烧后释放的温室气体占所有的温室气体排放量的14%，长期使用导致严重的环境问题譬如温室效应等。

　　与此相反，太阳能、风能等可再生能源，绿色清洁、可持续，已经被很好的应用于电力供应。因此，如果能将可再生电力与燃料燃烧产生的CO2和水等小分子充分利用起来，将会一举两得，一方面可以制备各种高附加值的化学品，另一方面还能减轻温室效应。因此，该领域的研究一直是化学工作者关注的焦点。加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家Daniel Kammen曾评价说：“目前，这是最前沿的话题。”

　　那么，这个最前沿的话题中，拟解决的关键问题或拟探索的核心内容有哪些呢？

　　1. 化石能源既能作为燃料，又是化工生产必备的原料，如何解决化石能源短缺的问题。

　　2．如何构建高效的电解体系，利用清洁能源来整合CO2，H2O，N2等分子，制备高附加值的化学品。

　　为了厘清这些问题，Science专栏记者Robert F. Service向我们阐明了利用可再生能源（水电、风电、太阳能）整合CO2，H2O，N2等，制备高附加值化学品的意义和可能性，并简要介绍了目前该研究领域的进展，指出了已建立体系（基于电解工艺）的优缺点，预测了高效可循环体系的发展方向。

　　目前，一家名为Sunfire的公司已经完成了一个高温电解反应堆的试运行，该反应堆的工作流程如下所示：

图片.png

图1. 反应堆的工作流程图示

　　值得一提的是，上述反应体系的效率接近80%。研究者发现影响体系效率的因素主要有阳极材料、阴极材料和催化剂。截至目前，已有研究报道通过在阳极上加入某种透明粘性液体来提高能源利用率；还有研究者对催化剂进行改进，成功将CO2转化为乙烯和乙醇的双碳混合物。

　　但是，这些优化过程困难重重，主要难点在于：

　　1）可再生能源（水能、风能、光能）是间歇性的，来源不够稳定；

　　2）目前的整合反应还停留在简单碳氢化合物的合成，离实际的生产生活还有很大的距离。

　　也就是说，在化学家能够找到能够高效制造复杂碳氢化合物的催化剂之前，该系统仅可以利用可再生电能来制备简单的分子，如H2和CO等。因此，研究和开发能够将CO转化为复杂的碳氢化合物的催化剂是下一步研究的热点。